钢纤维-橡胶混凝土抗冻性试验研究

Experimental study on the frost resistance of steel fiber-rubber concrete

摘要

基于内蒙古地区废旧轮胎存量大且普通混凝土在大温差环境下抗冻性较差的现状，为得到抗冻性能优异的混凝土，将废弃轮胎加工成橡胶颗粒和钢纤维，并将其以不同掺量加入混凝土中制备钢纤维-橡胶混凝土。对不同冻融循环次数下各组钢纤维-橡胶混凝土的抗压强度、动弹性模量和质量损失进行了测试，并使用响应面法预测了各变量对钢纤维-橡胶混凝土抗压性能的影响。结果表明：钢纤维的加入会提升混凝土的抗压强度，而橡胶的加入则会降低混凝土的抗压强度。掺入适量的橡胶颗粒和钢纤维可提升混凝土的抗冻性能，当橡胶颗粒掺量为10%且钢纤维掺量为1.5%时，改善效果最佳。建立的响应面模型拟合系数R²=0.93，拟合程度较高，预测结果较为精确。

Abstract

In view of the large stock of waste tires and the poor frost resistance of ordinary concrete under large temperature difference environment in Inner Mongolia, in order to obtain concrete with excellent frost resistance, waste tires were processed into rubber granules and steel fibers, and steel fiber-rubber concrete was prepared by adding them into concrete with different dosages. The compressive strength, dynamic elastic modulus and mass loss of each group of steel fiber-rubber concrete under different freeze-thaw cycles were tested. Furthermore, the response surface methodology was used to predict the influence of each variable on the compressive properties of steel fiber-rubber concrete. The results show that steel fiber has a positive effect on the compressive strength of concrete, while the addition of rubber has a negative effect. Adding appropriate amount of rubber granules and steel fibers can improve the frost resistance of concrete. When the rubber granule content is 10% and the steel fiber content is 1.5%, the improvement effect is the best. The established response variable model has a fitting coefficient of R² = 0.93, the fitting degree is high, and the prediction results are accurate.

Graphical abstract

关键词

钢纤维-橡胶混凝土 / 冻融循环 / 固废利用

Key words

steel fiber-rubber concrete / freeze-thaw cycles / solid waste utilization

随着汽车工业的迅猛发展，废旧轮胎的存量日益增长，我国70%的废橡胶来源于废旧的汽车轮胎，废旧轮胎回收利用率约为60%，远低于发达国家。如何将废旧轮胎再利用以提升其在循环经济中的社会效益，成为亟待解决的问题^[1-2]。

将废弃橡胶颗粒或钢纤维等改性材料加入混凝土中以提升混凝土各项性能已经是很成熟的一种工艺。王涛等^[3]通过对不同含量的橡胶混凝土进行试验，发现橡胶可以起到引气剂的作用，对混凝土的抗冻性有明显的改善作用。陈波等^[4]通过试验发现与普通混凝土相比，虽然橡胶混凝土的抗冻、抗渗能力均有提高，但其抗压、抗折强度却均有下降。钢纤维的掺入可以大大改善混凝土的各项力学性能，通过试验测试分析，发现低掺量钢纤维混凝土的抗压强度、弹性模量随着钢纤维掺入可以获得15%的提升幅度^[5-6]。然而，采用单一的改性材料会带来其他缺陷，橡胶颗粒会降低混凝土的基体强度，而钢纤维自身的耐腐蚀性较差^[7-10]，因此，研究者们开始关注钢纤维-橡胶混凝土的性能，研究在钢纤维与橡胶颗粒的混掺下，是否可以在发挥二者优势的同时，适当抵消不利影响。彭蔓等^[11]设计制备了18种不同配合比的钢纤维-橡胶混凝土，并通过研究发现混凝土的延性随着橡胶颗粒掺量的增加而变大，钢纤维的掺入对混凝土的阻裂也有着积极影响。此外，混凝土试件的断裂性能随着橡胶颗粒和钢纤维的加入而得到明显的改善。李征^[12]通过试验发现，在橡胶混凝土中掺入适量的钢纤维可以明显改善橡胶混凝土的劈裂抗拉强度和抗折强度。目前，关于钢纤维-橡胶混凝土力学性能的研究已相对完善^[13-15]，但冻融循环下各变量对混凝土的抗冻性研究仍相对薄弱。

综上所述，为实现固废利用、改善混凝土抗冻性，进一步探究冻融条件下钢纤维与橡胶颗粒混掺对混凝土性能的影响规律，本文以不同体积掺量(0、5%、10%、15%)的橡胶颗粒取代砂子，同时加入不同体积掺量(0、0.5%、1%、1.5%)的废旧钢纤维制备成钢纤维-橡胶混凝土，研究其在不同冻融循环次数下（50、100、150、200次）的抗压强度、质量损失率和相对动弹性模量，探究其抗冻机理，并得出最优配比。同时以钢纤维掺量、橡胶颗粒掺量、冻融循环次数作为影响因素，以抗压强度作为响应进行响应面法分析，得到钢纤维-橡胶混凝土的抗压强度响应面模型，以其为工程应用提供指导。

1 试验

1.1 试验原材料

试验所用水泥为呼和浩特市冀东牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥，水泥的物理性质如表1所示。粗骨料为粒径15~20 mm的碎石；细骨料为表观密度为2.65 g/cm³的普通河砂，细度模数为2.7；混凝土采用自来水拌和；废旧钢纤维是用废旧轮胎中的钢丝再生产的，平均长度为10~30 mm，厚度小于0.2 mm，平均抗拉强度不小于300 MPa，其外观形貌见图1(a)；橡胶颗粒为废旧轮胎经碾磨制备，80~100目，其外观形貌见图1(b)。

1.2 配合比

试验钢纤维-橡胶混凝土的基准设计强度为C40，依据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)试配并制作试块进行相关性能试验，最终在满足力学性能要求的基础上确定基准配合比，记为RC-0。以基准配合比为对照组，将细骨料等体积替换为橡胶颗粒，替换率分别为5%、10%和15%，并掺入不同体积掺量的废旧钢纤维（0.5%、1.0%和1.5%）制备钢纤维-橡胶混凝土，记为RC-0~RC-12。具体配合比如表2所示。

1.3 试件制备与养护

根据配合比先将水泥、碎石、砂子以及橡胶颗粒和钢纤维倒入搅拌机内搅拌30 s，使原料完全混合，然后将称量好的减水剂倒入自来水中搅拌均匀，打开搅拌机，倒入后搅拌90 s。搅拌完后入模，为防止橡胶颗粒上浮，控制振动时间，在振实台上振捣30 s。

试验所用抗压试件为标准立方体试件(150 mm×150 mm×150 mm)，抗冻性能试验采用标准棱柱体试件(100 mm×100 mm×400 mm)，每组需制备3个平行试件。试件成型脱模后进行为期28 d的标准养护[温度(20 ± 2) ℃，相对湿度95%]。

1.4 测试方法

1.4.1 力学性能测试

立方体抗压强度测试采用最大量程为3 000 kN的微机控制电液伺服压力试验机，相关试验操作及强度计算参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420—2020)执行。加荷速度控制为0.5~0.8 MPa/s，并保证试验过程中连续均匀加荷。

1.4.2 抗冻性能试验

混凝土的表面与内部损伤情况可通过质量损失率和相对动弹性模量反映。按照‍‍《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420—2020)，采用冻融设备为北京耐恒检测设备科技发展有限公司生产的构件冻融机完成冻融循环试验。每次冻融循环时间设为4 h，冻融温度范围为-18 ℃~4 ℃。当出现下列情况之一时，即可停止试验：1) 冻融次数分别达到设计次数（50、100、150、200次）；2) 钢纤维-橡胶混凝土相对动弹性模量降至60%；3) 钢纤维-橡胶混凝土质量损失率达到5%。

采用电子秤、DT-20型混凝土动弹性模量测试仪在每一个冻融循环阶段后（25次），对各组试件的质量、动弹性模量进行测定和记录。

2 结果与讨论

2.1 立方体试件抗压破坏形态分析

对各组试件进行立方体抗压试验，并对试件从开始破裂变形直至破坏的整个过程进行记录，部分混凝土试件抗压破坏形态见图2。

从图2可以看出，普通混凝土试件、橡胶混凝土试件和钢纤维-橡胶混凝土试件的破坏形态均不同，且差异较大。各组试件冻融循环前后破坏形态也存在差异，说明冻融循环会改变混凝土的抗压破坏形态。

普通混凝土在弹性阶段会按照胡克定律产生与施加载荷成正比的应变，试件整体形态没有明显变化，但是内部已产生了微小的位移。进入塑性阶段后，随着荷载继续增加，混凝土会出现裂缝并开始扩展，直至裂缝发展为一条垂直于混凝土的纵向裂缝并不断扩张，在较短时间内随着较大的响声，试件发生分裂或坍塌，这时试件已完全破坏。经过100次冻融循环后，明显可以看出混凝土表面的裂缝产生和发展及破坏过程用时更短，破裂程度也更大。这是由于冻融循环作用下，水在混凝土内部不断膨胀和收缩，使内部的应力发生变化，混凝土表面和内部产生了较多和较大缝隙，从而影响其整体稳定性。

与普通混凝土相比，橡胶混凝土在破坏过程中产生的裂缝不规则且裂缝宽度较小，整个破坏过程时间较长，破坏形态较完整，呈现出良好的韧性。这些不同特征的产生，主要是橡胶颗粒的存在以及橡胶与水泥基体之间的相互作用所导致的。在受压时内部的橡胶颗粒自身会发生挤出和拉伸现象，同时橡胶颗粒与水泥基体之间的界面会发生剥离和脱落现象，这些橡胶颗粒的变形与阻碍会导致试件整体产生非均匀变形，裂缝扩展路径也会呈现出一定的扭曲或不规则性。同时，由于橡胶颗粒具有特殊形态和低密度特征，会出现橡胶颗粒的聚集和堆积现象，这些聚集和堆积的橡胶颗粒会影响裂缝扩展的路径和方式，从而影响试件的破坏形态。经过100次冻融循环后，虽然橡胶颗粒的存在使得试件具有一定的韧性，能够抵抗裂缝的扩展，但橡胶颗粒同样给内部带来更多的孔隙，在抗压破坏时，其裂缝与冻融循环之前相比更多也更密集，破坏后破损程度更大。

由于橡胶颗粒和钢纤维的存在，钢纤维-橡胶混凝土在破坏时裂缝形态更加复杂，试件受到压力作用时，裂缝沿着混凝土的整体结构或橡胶颗粒之间的界面产生，呈现出交错、扭曲或者分叉的形态。在三种混凝土中，钢纤维-橡胶混凝土破坏过程时间最长，破坏时响声巨大，但破坏时其完整性最好，裂缝大多数没有呈现贯穿状，而且侧面脱落混凝土较少。这是因为钢纤维的添加能有效地阻止裂缝的扩展，并增强试件的抗拉能力，同时钢纤维和橡胶颗粒的存在可以提高混凝土的抗拉性能和韧性，因此，试件在抗压破坏过程中表现出较好的整体稳定性。经过100次冻融循环后，钢纤维-橡胶混凝土仅在破坏时间上缩短更多，破坏时仍伴随沉闷的响声，破坏后的整体稳定性仍要强于其他混凝土。

2.2 不同变量对立方体抗压强度的影响分析

表3所示为试验后得到各组试件的立方体抗压强度，依据表3的试验数据，绘制出抗压强度与不同变量的关系图，如图3~图5所示。

由表3及图3可知，用橡胶颗粒替代细骨料，会降低混凝土的抗压强度。随着橡胶颗粒掺量的增加，混凝土的抗压强度随之下降，当掺量达到15%时，混凝土抗压强度降低至85.42%。出现这一现象的原因是橡胶颗粒表面不具备亲水性，抑制水泥在橡胶颗粒表面的水化，从而使二者无法有效结合，界面过渡区裂缝较大，并且橡胶具有一定的弹性，其弹性模量和强度与混凝土中的骨料、水泥石相差比较大，受压时无法产生协同变形，最终导致强度下降。

而在混凝土中加入钢纤维可以提高混凝土的强度。随着钢纤维掺量的增加，混凝土的抗压强度也增加，当掺量达到1.5%时，混凝土抗压强度增加25%。钢纤维的掺入可以提高混凝土的密实性和整体性，同时可以阻碍基体在轴向受压过程中裂缝的发展和形成，从而提高了混凝土的抗压性能。

单掺橡胶颗粒的混凝土在界面过渡区存在大量的孔结构，整体结构较松散，孔洞之间相互贯通。而在加入钢纤维后，其基体密实程度明显改善，一定掺量下的钢纤维可以形成空间网状结构，锁住水泥石，阻止裂缝进一步发展。当橡胶颗粒掺量为5%时，掺入钢纤维仍然对混凝土的抗压性能有提升，相较于RC-0，分别提升了4.20%、12.50%和14.58%。随着橡胶颗粒掺量的增加，钢纤维对混凝土抗压强度的改善效果有限，同时钢纤维掺量的增加对混凝土的抗压强度提升也并不明显。当橡胶颗粒掺量为15%时，相较于RC-0，各组混凝土抗压强度分别下降了8.30%、10.42%和12.50%，说明在大掺量的橡胶混凝土前提下即使掺入钢纤维也很难抵消橡胶颗粒对混凝土抗压强度的消极影响。

从表3和图4可以看出，普通混凝土随着冻融循环次数的增加，抗压强度明显降低，对应不同冻融循环次数分别为29、23、16、15 MPa，相对下降了39.58%、52.08%、66.67%和68.75%。而加入橡胶颗粒的混凝土，在前100次冻融循环抗压强度下降相对较平缓，冻融循环50次后，不同掺量的橡胶颗粒混凝土抗压强度下降均小于15%，冻融循环100次后，其抗压强度下降小于20%。这是因为橡胶颗粒的加入引入了更多的气孔，起到了引气剂的作用，改善了混凝土的抗冻性。但当冻融循环次数超过100次后，橡胶颗粒的改善作用明显下降，不能有效地阻止抗压强度的降低。

从表3和图5可以看出，钢纤维虽然可以大幅提升混凝土的抗压强度，但并不能在冻融循环下有效地减缓混凝土抗压强度的下降趋势。在前100次冻融循环中，钢纤维-橡胶混凝土抗压强度下降速率与橡胶混凝土的下降速率几乎相同，均在20%~30%之间；当经过200次冻融循环后，掺量为0.5%的钢纤维-橡胶混凝土的抗压强度下降了47.8%，掺量为1.0%和1.5%的钢纤维-橡胶混凝土的抗压强度下降了40%，略低于橡胶颗粒混凝土的47.6%。主要原因是钢纤维-橡胶混凝土的基体抗压强度较高，同时钢纤维的存在阻止了裂缝的进一步扩张，使其在冻融循环后抗压性能表现相对较好。

2.3 质量损失率变化规律

随着冻融循环次数的增加，普通混凝土试件开始逐渐剥落并且伴随着细砂、水泥浆和粗骨料的裸露，试件表面破坏明显。橡胶混凝土的表面并没有伴随着冻融循环的增加而产生较大的剥落，但是随着次数增多，试件表面会出现很多小孔，部分区域会出现橡胶颗粒的聚集和堆积现象，试件表面破坏现象不明显，整体体积无较大变化。钢纤维-橡胶混凝土与橡胶混凝土情况相同，整体稳定性较好，当出现剥落情况时，也仅是部分细砂、水泥浆或橡胶颗粒，很少有钢纤维随之剥落。

表4所示为试验后经计算得到的试件质量损失率，根据表4的试验数据，绘制出各组质量损失率与冻融循环次数的关系图，如图6、图7所示。

由表4和图6可知，普通混凝土(RC-0)随着冻融循环次数的增加，其质量损失率先降为负值(-0.247%)后逐渐增加为正值，在冻融循环200次后，达到2.628%。橡胶混凝土的质量在冻融50次前增加较快，当冻融循环次数超过50次后增长趋势开始下降，橡胶颗粒掺量不同的橡胶混凝土质量变化趋势几乎相同，在100次时达到峰值（约为-1.3%），随着冻融循环次数再次增加，其质量开始下降，当冻融循环达到200次后，其质量损失率达到1.5%。在前50次冻融循环中，试件整体外观完整，无明显剥落现象，但混凝土内部原有缝隙不断吸水饱和膨胀，致使试件质量增加，出现质量损失率为负的现象，也称为“质量反弹”现象。随着冻融循环次数的增加，普通混凝土外部开始出现剥落现象，因其抗冻性较差，在冻融循环超过50次后，剥落情况就较为严重，其质量损失率变为正值且随着冻融循环次数的增加增幅变大。而橡胶混凝土因橡胶均匀分布在混凝土中，产生了大量的孔隙，从而使更多的水进入混凝土中，同时橡胶的弹性可以缓解冰胀应力，减轻了混凝土的破坏，降低了因剥落产生的质量损失，而其质量在冻融循环100次前仍有增加，在冻融循环100次后才因混凝土破坏较严重，无法抵消剥落带来的质量损失，导致整体质量损失率升高。

由图7可知，不同掺量的钢纤维-橡胶混凝土质量变化趋势也几乎相同，在冻融循环前100次时其质量损失率均为负，并在冻融循环100次时达到峰值，约为-1.3%，随着冻融循环次数的增加，其质量损失率逐渐增长为正值，最大可达到1.3%。除了橡胶颗粒起到的作用外，均匀分散的钢纤维在基体内部互相搭接形成了三维网状结构，有效地和橡胶颗粒共同缓冲了冰胀应力，减少了混凝土的裂缝，阻碍基体外部的剥落，使钢纤维混凝土在冻融循环下的表现优于其他混凝土。

在前100次冻融循环中，橡胶混凝土和钢纤维-橡胶混凝土质量损失率下降趋势较快，说明其内部孔隙多，吸水较快，而剥落较少。冻融循环超过100次后，混凝土吸水逐渐饱和，而基体表面混凝土剥落增多，其质量损失率呈现上升趋势。另一方面，同一橡胶颗粒掺量下，钢纤维掺量最多的，其质量变化趋势最为平缓，说明大量的钢纤维使得混凝土内部更为密实，孔隙相对更少，整体稳定性更好。

2.4 相对动弹性模量变化规律

表5所示为试验后经计算得到的相对动弹性模量。根据表5的试验数据，绘制出各组相对动弹性模量与冻融循环次数的关系图，如图8所示。

分析表5和图8可知，各组试件的相对动弹性模量均随着冻融循环次数的增加而下降。其中橡胶混凝土和普通混凝土的下降趋势几乎相同，对应不同冻融循环次数，分别下降至85%、78%、75%、74%，而橡胶混凝土的相对动弹性模量略高于普通混凝土，说明橡胶颗粒的掺入可以改善混凝土的抗冻性能。

在前100次冻融循环中，钢纤维-橡胶混凝土的相对动弹性模量一直高于其他混凝土且下降趋势平缓，在冻融循环50次和100次后，分别下降至90%、87%，且钢纤维掺量越多，其相对动弹性模量越大；在冻融循环100次后，其相对动弹性模量下降趋势变大，但仍优于其他混凝土。反映了钢纤维-橡胶混凝土具有更好的抗冻性能，其原因是钢纤维和橡胶颗粒的存在在一定程度上可以起到缓解内应力的作用，同时也限制了裂缝因饱和水膨胀应力引起的扩展，进而缓解试件的破坏，改善混凝土的抗冻性能。

2.5 抗压强度响应面模型

响应面法(response surface methodology，RSM)是开发、改进、优化过程的一种十分有效的数学方法。在试验中，当用数学方法来表示多个变量对目标值的关系时，会得到一个三维曲面，创建和解释该曲面的最佳方法之一就是响应面法^[16]。作为一种统计学方法，RSM能够反映在试验过程中各变量对目标值（即响应）影响，最终通过等高线图以及三维曲面图来揭示变量和响应之间的关系。

通过Design Expert软件对钢纤维-橡胶混凝土冻融循环作用下的抗压强度影响因素进行RSM分析。采用RSM中的Box-behnken设计，使用钢纤维掺量(A)、橡胶颗粒掺量(B)、冻融循环次数(C)作为三个因素，以混凝土抗压强度(Y)作为响应进行三因素分析。

由响应面法可得钢纤维-橡胶混凝土在冻融循环作用下的抗压强度模型，如式(1)。拟合后的相关系数R²=0.93，说明该公式拟合程度较高，预测结果较为精确，满足要求。

\begin{array}{l}Y=\mathrm{49.99}+\mathrm{6.59}A-\mathrm{0.65}B-\mathrm{0.17}C\\ -\mathrm{0.18}AB+\mathrm{0.000}\mathrm{224}AC+\mathrm{0.004}\mathrm{27}BC\end{array}(1)

图9为由式(1)得到的预测结果和试验结果的对比图。从图中可以看出，趋势线斜率约为1，截距接近0，表明式(1)计算结果有良好的预测精度。试验值与预测值几乎均匀地分布在一条直线上，说明二者拟合程度较高，证明了式(1)的有效性，用其表述冻融循环作用下钢纤维-橡胶混凝土抗压强度变化是可行的。

钢纤维-橡胶混凝土抗压强度三维响应曲面如图10所示。抗压强度越大，三维响应曲面图中表现为曲面上翘，颜色也趋近于深红色。

观察图10可知，在钢纤维掺量不变的情况下，钢纤维-橡胶混凝土抗压强度随着冻融循环次数和橡胶颗粒掺量的增大而减小，其响应曲面与试验具有一致的变化规律。另外，在橡胶颗粒掺量不变的情况下，钢纤维-橡胶混凝土抗压强度随冻融循环次数的增大而减小，随钢纤维掺量的增大而增大；相较于低掺量钢纤维，较高的钢纤维掺量能极大地密实混凝土内部结构，有效阻止了冻融循环后期裂缝的发展，提高了200次冻融循环后的混凝土抗压强度。

图11为钢纤维/橡胶颗粒复合作用下混凝土抗压强度响应曲面。观察图11可知，在冻融循环次数不变的情况下，当橡胶颗粒掺量较低时，钢纤维掺量的增加可以有效地提高混凝土抗压强度。当掺入过多的橡胶颗粒时，钢纤维掺量的增加对混凝土抗压强度的提升效果有限，这与试验结果一致，表明过多的橡胶颗粒掺量对混凝土强度的负面影响较大，即使提高钢纤维掺量也难以提高混凝土冻融循环后的强度，因此在实际工程中应该对橡胶颗粒掺量加以限制。

总的来说，钢纤维-橡胶混凝土抗压强度响应面模型能够很好地反映试验所得到的混凝土抗压强度变化规律，可以通过分析响应曲面的变化，定性和定量地分析抗压强度变化，因此，运用RSM方法得到的钢纤维-橡胶混凝土抗压强度响应模型是合理的。

3 结论

基于对各组钢纤维-橡胶混凝土抗压性能、相对动弹性模量变化规律、质量损失率变化规律的分析，得到如下结论：

1) 钢纤维-橡胶混凝土中钢纤维的加入可改变基体松散多孔的结构，对抗压强度起到积极的作用，混凝土的抗压性能随钢纤维掺量的增加而增大，由RC-1的43 MPa增长至RC-4的55 MPa。而橡胶颗粒的加入增加了更多的孔隙，不利于抗压强度的增长，其掺量越大，混凝土抗压性能越差。

2) 钢纤维和橡胶颗粒的掺入可以有效地改善混凝土的抗冻性。当橡胶颗粒掺量为10%且钢纤维掺量为1.5%时，混凝土的各项性能提升效果最好，冻融循环200次后，抗压强度为30 MPa，相对动弹性模量为79.0%，仍未达到冻融破坏。

3) 本文建立的响应面模型的拟合系数R²=0.93，拟合精度较高，可为钢纤维-橡胶混凝土在冻融循环下抗压强度的预测提供参考。

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基金资助

内蒙古自治区自然科学基金项目(2022LHQN05003)

鄂尔多斯应用技术学院科研项目(KYYB2019010)

鄂尔多斯应用技术学院科研项目(KYYB2022003)